(一) SMT就是表面组装技术(Surface Mounted Technology的缩写),是目前电子组装行业里{zlx}的一种技术和工艺
(二) SMT有何特点:组装密度高、电子产品体积小、重量轻,贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右,一般采用SMT之后,电子产品体积缩小40%~60%,重量减轻60%~80%。可靠性高、抗振能力强。焊点缺陷率低
(一) 高频特性好。减少了电磁和射频干扰
(二) 易于实现自动化,提高生产效率。降低成本达30%~50%
(三) 节省材料、能源、设备、人力、时间等
(三) 为什么要用SMT:电子产品追求小型化,以前使用的穿孔插件元件已无法缩小 电子产品功能更完整,所采用的集成电路(IC)已无穿孔元件,特别是大规模、高集成IC,不得不采用表面贴片元件 产品批量化,生产自动化,厂方要以低成本高产量,出产优质产品以迎合顾客需求及加强市场竞争力 电子元件的发展,集成电路(IC)的开发,半导体材料的多元应用 电子科技革命势在必行,追逐国际潮流
(四) SMT工艺流程——双面组装工艺
A:来料检测-PCB的A面丝印焊膏(点贴片胶)-贴片-烘干(固化)-A面回流焊接-清洗-翻板-PCB的B面丝印焊膏(点贴片胶)-贴片-烘干-回流焊接({zh0}仅对B面-清洗-检测-返修) 此工艺适用于在PCB两面均贴装有PLCC等较大的SMD时采用
B:来料检测-PCB的A面丝印焊膏(点贴片胶)-贴片-烘干(固化)-A面回流焊接-清洗-翻板-PCB的B面点贴片胶-贴片-固化-B面波峰焊-清洗-检测-返修) 此工艺适用于在PCB的A面回流焊,B面波峰焊。在PCB的B面组装的SMD中,只有SOT或SOIC(28)引脚以下时,宜采用此工艺
(五) 助焊剂产品的基本知识
(一) 表面贴装用助焊剂的要求 具一定的化学活性 具有良好的热稳定性 具有良好的润湿性 对焊料的扩展具有促进作用 留存于基板的焊剂残渣,对基板无腐蚀性 具有良好的清洗性 氯的含有量在0.2%(W/W)以下.
(二) 助焊剂的作用焊接工序:预热/焊料开始熔化/焊料合金形成/焊点形成/焊料固化作 用:辅助热传异/去除氧化物/降低表面张力/防止再氧化说 明:溶剂蒸发/受热,焊剂覆盖在基材和焊料表面,使传热均匀/放出活化剂与基材表面的离子状态的氧化物反应,去除氧化膜/使熔融焊料表面张力小,润湿良好/覆盖在高温焊料表面,控制氧化改善焊点质量.
(三) 助焊剂的物理特性助焊剂的物理特性主要是指与焊接性能相关的溶点,沸点,软化点,玻化温度,蒸气 压, 表面张力,粘度,混合性等.
(四) 助焊剂残渣产生的不良与对策助焊剂残渣会造成的问题 对基板有一定的腐蚀性 降低电导性,产生迁移或短路 非导电性的固形物如侵入元件接触部会引起接合不良 树脂残留过多,粘连灰尘及杂物 影响产品的使用可靠性 使用理由及对策 选用合适的助焊剂,其活化剂活性适中 使用焊后可形成保护膜的助焊剂 使用焊后无树脂残留的助焊剂 使用低固含量免清洗助焊剂 焊接后清洗
(五) QQ-S-571E规定的焊剂分类代号代号 焊剂类型 S 固体适度(无焊剂) R 松香焊剂 RMA 弱活性松香焊剂 RA 活性松香或树脂焊剂 AC 不含松香或树脂的焊剂美国的合成树脂焊剂分类: SR 非活性合成树脂,松香类 SMAR 中度活性合成树脂,松香类 SAR 活性合成树脂,松香类 SSAR 极活性合成树脂,松香类
(六) 助焊剂喷涂方式和工艺因素喷涂方式有以下三种: 1.超声喷涂: 将频率大于20KHz的振荡电能通过压电陶瓷换能器转换成机械能,把焊剂雾化,经压力喷嘴到PCB上. 2.丝网封方式:由微细,高密度小孔丝网的鼓旋转空气刀将焊剂喷出,由产 生的喷雾,喷到PCB上. 3.压力喷嘴喷涂:直接用压力和空气带焊剂从喷嘴喷出 喷涂工艺因素: 设定喷嘴的孔径,烽量,形状,喷嘴间距,避免重叠影响喷涂的均匀性. 设定超声雾化器电压,以获取正常的雾化量. 喷嘴运动速度的选择 PCB传送带速度的设定 焊剂的固含量要稳定 设定相应的喷涂宽度
(七) 免清洗助焊剂的主要特性可焊性好,焊点饱满,无焊珠,桥连等不良产生 xx,不污染环境,操作安全 焊后板面干燥,无腐蚀性,不粘板 焊后具有在线测试能力 与SMD和PCB板有相应材料匹配性 焊后有符合规定的表面绝缘电阻值(SIR) 适应焊接工艺(浸焊,发泡,喷雾,涂敷等
(六) 助焊剂常见状况与分析
(一) 焊后PCB板面残留多板子脏:
1) 焊接前未预热或预热温度过低(浸焊时,时间太短)
2) 走板速度太快(FLUX未能充分挥发)
3) 锡炉温度不够
4) 锡液中加了防氧化剂或防氧化油造成的
5) 助焊剂涂布太多
6) 元件脚和板孔不成比例(孔太大)使助焊剂上升
7) FLUX使用过程中,较长时间未添加稀释剂
(二) 着 火:
1) 波峰炉本身没有风刀,造成助焊剂涂布量过多,预热时滴到加热管上
2) 风刀的角度不对(使助焊剂在PCB上涂布不均匀)
3) PCB上胶条太多,把胶条引燃了
4) 走板速度太快(FLUX未xx挥发,FLUX滴下)或太慢(造成板面热温度太高)
5) 工艺问题(PCB板材不好同时发热管与PCB距离太近)
(三) 腐 蚀(元器件发绿,焊点发黑)
1) 预热不充分(预热温度低,走板速度快)造成FLUX残留多,有害物残留太多)
2) 使用需要清洗的助焊剂,焊完后未清洗或未及时清洗
(四) 连电,漏电(绝缘性不好)
PCB设计不合理,布线太近等。PCB阻焊膜质量不好,容易导电
(五) 漏焊,虚焊,连焊
1) FLUX涂布的量太少或不均匀
2) 部分焊盘或焊脚氧化严重
3) PCB布线不合理(元零件分布不合理)
4) 发泡管堵塞,发泡不均匀,造成FLUX在PCB上涂布不均匀
5) 手浸锡时操作方法不当
6) 链条倾角不合理
7) 波峰不平
(六) 焊点太亮或焊点不亮
1) 可通过选择光亮型或消光型的FLUX来解决此问题);
2) 所用锡不好(如:锡含量太低等)
(七) 短 路
1) 锡液造成短路: A、发生了连焊但未检出B、锡液未达到正常工作温度,焊点间有“锡丝”搭桥C、焊点间有细微锡珠搭桥D、发生了连焊即架桥
2) PCB的问题:如:PCB本身阻焊膜脱落造成短路
3) 烟大,味大:
1.FLUX本身的问题 A、树脂:如果用普通树脂烟气较大 B、溶剂:这里指FLUX所用溶剂的气味或刺激性气味可能较大 C、活化剂:烟雾大、且有刺激性气味 2.排风系统不完善
(八) 飞溅、锡珠:
1) 工 艺
A、预热温度低(FLUX溶剂未xx挥发) B、走板速度快未达到预热效果 C、链条倾角不好,锡液与PCB间有气泡,气泡爆裂后产生锡珠 D、手浸锡时操作方法不当 E、工作环境潮湿
2) P C B板的问题
A、板面潮湿,未经xx预热,或有水分产生 B、PCB跑气的孔设计不合理,造成PCB与锡液间窝气 C、PCB设计不合理,零件脚太密集造成窝气
(九) 上锡不好,焊点不饱满
使用的是双波峰工艺,一次过锡时FLUX中的有效分已xx挥发 走板速度过慢,使预热温度过高 FLUX涂布的不均匀焊盘,元器件脚氧化严重,造成吃锡不良 FLUX涂布太少;未能使PCB焊盘及元件脚xx浸润 PCB设计不合理;造成元器件在PCB上的排布不合理,影响了部分元器件的上锡
(十) FLUX发泡不好 FLUX的选型不对 发泡管孔过大或发泡槽的发泡区域过大 气泵气压太低 发泡管有管孔漏气或堵塞气孔的状况,造成发泡不均匀 稀释剂添加过多
(十一) 发泡太好 气压太高 发泡区域太小 助焊槽中FLUX添加过多 未及时添加稀释剂,造成FLUX浓度过高
(十二) FLUX的颜色 有些无透明的FLUX中添加了少许感光型添加剂,此类添加剂遇光后 变色,但不影响FLUX的焊接效果及性能;
(十三) PCB阻焊膜脱落、剥离或起泡 1、80%以上的原因是PCB制造过程中出的问题 A、清洗不干净 B、劣质阻焊膜 C、PCB板材与阻焊膜不匹配 D、钻孔中有脏东西进入阻焊膜 E、热风整平时过锡次数太多 2、锡液温度或预热温度过高 3、焊接时次数过多 4、手浸锡操作时,PCB在锡液表面停留时间过锡膏印刷
(七) 印刷工艺过程与设备
在锡膏印刷过程中,印刷机是达到所希望的印刷品质的关键。今天可购买到的丝印机分为两种主要类型:实验室与生产。每个类型有进一步的分类,因为每个公司希望从实验室与生产类型的印刷机得到不同的性能水平。例如,一个公司的研究与开发部门(R&D)使用实验室类型制作产品原型,而生产则会用另一种类型。还有,生产要求可能变化很大,取决于产量。因为激光切割设备是不可能分类的,{zh0}是选择与所希望的应用相适应的丝印机。
在手工或半自动印刷机中,锡膏是手工地放在模板/丝网上,这时印刷刮板(squeegee)处于模板的另一端。在自动印刷机中,锡膏是自动分配的。在印刷过程中,印刷刮板向下压在模板上,使模板底面接触到电路板顶面。当刮板走过所腐蚀的整个图形区域长度时,锡膏通过模板/丝网上的开孔印刷到焊盘上。
在锡膏已经沉积之后,丝网在刮板之后马上脱开(snap off),回到原地。这个间隔或脱开距离是设备设计所定的,大约0.020″~0.040″。脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷品质的与设备有关的重要变量。
如果没有脱开,这个过程叫接触(on-contact)印刷。当使用全金属模板和刮刀时,使用接触印刷。非接触(off-contact)印刷用于柔性的金属丝网
1. 刮板(squeegee)类型
刮板的磨损、压力和硬度决定印刷质量,应该仔细监测。对可接受的印刷品质,刮板边缘应该锋利和直线。刮板压力低造成遗漏和粗糙的边缘,而刮板压力高或很软的刮板将引起斑点状的(smeared)印刷,甚至可能损坏刮板和模板或丝网。过高的压力也倾向于从宽的开孔中挖出锡膏,引起焊锡圆角不够。常见有两种刮板类型:橡胶或聚氨酯(polyurethane)刮板和金属刮板。当使用橡胶刮板时,使用70-90橡胶硬度计(durometer)硬度的刮板。当使用过高的压力时,渗入到模板底部的锡膏可能造成锡桥,要求频繁的底部抹擦。为了防止底部渗透,焊盘开口在印刷时必须提供密封(gasketing)作用。这取决于模板开孔壁的粗糙度。 金属刮刀也是常用的。随着更密间距元件的使用,金属刮刀的用量在增加。它们由不锈钢或黄铜制成,具有平的刀片形状,使用的印刷角度为30~45°。一些刮刀涂有润滑材料。因为使用较低的压力,它们不会从开孔中挖出锡膏,还因为是金属的,它们不象橡胶刮板那样容易磨损,因此不需要锋利。它们比橡胶刮板成本贵得多,并可能引起模板磨损。
使用不同的刮板类型在使用标准元件和密脚元件的印刷电路装配(PCA)中是有区分的。锡膏量的要求对每一种元件有很大的不同。密间距元件要求比标准表面贴装元件少得多的焊锡量。焊盘面积和厚度控制锡膏量。
一些工程师使用双厚度的模板来对密脚元件和标准表面贴装焊盘施用适当的锡膏数量。其它工程师采用一种不同的方法 – 他们使用不需要经常锋利的更经济的金属刮刀。用金属刮刀更容易防止锡膏沉积量的变化,但这种方法要求改良的模板开孔设计来防止在密间距焊盘上过多的锡膏沉积。这个方法在工业上变得更受欢迎,但是,使用双厚度印刷的橡胶刮板也还没有消失
2. 模板(stencil)类型
重要的印刷品质变量包括模板孔壁的精度和光洁度。保存模板宽度与厚度的适当的纵横比(aspect ratio)是重要的。推荐的纵横比为1.5。这对防止模板阻塞是重要。一般,如果纵横比小于1.5,锡膏会保留在开孔内。除了纵横比之外,如IPC-7525《模板设计指南》所推荐的,还要有大于0.66的面积比(焊盘面积除以孔壁面积)。IPC-7525可作为模板设计的一个良好开端。
制作开孔的工艺过程控制开孔壁的光洁度和精度。有三种常见的制作模板的工艺:化学腐蚀、激光切割和加成(additive)工艺
化学腐蚀(chemically etched)模板
金属模板和柔性金属模板是使用两个阳性图形通过从两面的化学研磨来蚀刻的。在这个过程中,蚀刻不仅在所希望的垂直方向进行,而且在横向也有。这叫做底切(undercutting) – 开孔比希望的较大,造成额外的焊锡沉积。因为50/50从两面进行蚀刻,其结果是几乎直线的孔壁,在中间有微微沙漏形的收窄。
因为电蚀刻模板孔壁可能不平滑,电抛光,一个微蚀刻工艺,是达到平滑孔壁的一个方法。另一个达到较平滑孔壁的方法是镀镍层(nickel plating)。抛光或平滑的表面对锡膏的释放是好的,但可能引起锡膏越过模板表面而不在刮板前滚动。这个问题可通过选择性地抛光孔壁而不是整个模板表面来避免。镀镍进一步改善平滑度和印刷性能。可是,它减小了开孔,要求图形调整
激光切割(laser-cut)模板 激光切割是另一种减去(subtractive)工艺,但它没有底切问题。模板直接从Gerber数据制作,因此开孔精度得到改善。数据可按需要调整以改变尺寸。更好的过程控制也会改善开孔精度。激光切割模板的另一个优点是孔壁可成锥形。化学蚀刻的模板也可以成锥形,如果只从一面腐蚀,但是开孔尺寸可能太大。板面的开口稍微比刮板面的大一点的锥形开孔(0.001″~0.002″,产生大约2°的角度),对锡膏释放更容易。 激光切割可以制作出小至0.004″的开孔宽度,精度达到0.0005″,因此很适合于超密间距(ultra-fine-pitch)的元件印刷。激光切割的模板也会产生粗糙的边缘,因为在切割期间汽化的金属变成金属渣。这可能引起锡膏阻塞。更平滑的孔壁可通过微蚀刻来产生。激光切割的模板如果没有预先对需要较薄的区域进行化学腐蚀,就不能制成台阶式多级模板。激光一个一个地切割每一个开孔,因此模板成本是要切割的开孔数量而定
电铸成型(electroformed)模板
制作模板的第三种工艺是一种加成工艺,最普遍地叫做电铸成型。在这个工艺中,镍沉积在铜质的阴极心上以形成开孔。一种光敏干胶片叠层在铜箔上(大约0.25″厚度)。胶片用紫外光通过有模板图案的遮光膜进行聚合。经过显影后,在铜质心上产生阴极图案,只有模板开孔保持用光刻胶(photoresist)覆盖。然后在光刻胶的周围通过镀镍形成了模板。在达到所希望的模板厚度后,把光刻胶从开孔除掉。电铸成型的镍箔通过弯曲从铜心上分开 – 一个关键的工艺步骤。现在箔片准备好装框,制作模板的其它步骤。
电铸成型台阶式模板可以做得到,但成本增加。由于可达到精密的公差,电铸成型的模板提供良好的密封作用,减少了模板底面的锡膏渗漏。这意味着模板底面擦拭的频率显著地降低,减少潜在的锡桥
结论
化学腐蚀和激光切割是制作模板的减去工艺。化学蚀刻工艺是最老的、使用最广的。激光切割相对较新,而电铸成型模板是{zx1}时兴的东西。 为了达到良好的印刷结果,必须有正确的锡膏材料(黏度、金属含量、{zd0}粉末尺寸和尽可能{zd1}的助焊剂活性)、正确的工具(印刷机、模板和刮刀)和正确的工艺过程(良好的定位、清洁拭擦)的结合。
(一) 印刷的相关术语
1) 开孔面积百分率 open mesh area percentage 丝网所有网孔的面积与相应的丝网总面积之比,用百分数表示
2) 模版开孔面积 open stencil area 丝网印刷模版上所有图像区域面积的总和
3) 网框外尺寸 outer frame dimension 在网框水平位置上,测得包括网框上所有部件在内的长与宽的乘积
4) 印刷头 printing head 印刷机上通过靠着印版动作、为焊膏或胶水转移提供必要压力的部件
5) 焊膏或胶水 印刷过程中敷附于PCB板上的物质
6) 印刷面 printing side(lower side) 丝网印版的底面,即焊膏或胶水与PCB板相接触的一面
7) 丝网 screen mesh 一种带有排列规则、大小相同的开孔的丝网印刷模版的载体
丝网印刷 screen printing 使用印刷区域呈筛网状开孔印版的漏印方式
9) 印刷网框 screen printing frame 固定并支撑丝网印刷模版载体的框架装置
10) 离网 snap-off 印刷过程中,丝网印版与附着于PCB板上的焊膏或胶水的脱离
11) 刮刀 squeegee 在丝网印刷中,迫使丝网印版紧靠PCB板,并使焊膏或胶水透过丝网印版的开孔转移到PCB板上,同时刮除印版上多余焊膏或胶水的装置
12) 刮刀角度 squeegee angle 刮刀的切线方向与PCB板水平面或与压印辊接触点的切线之间的夹角,在刮刀定位后非受力或非运动的状态下测得
13) 刮刀 squeegee blade 刮刀的刀状部分,直接作用于印版上的印刷焊膏或胶水,使焊膏或胶水附着在PCB板上
14) 刮区 squeegeeing area 刮刀在印版上刮墨运行的区域
15) 刮刀相对压力 squeegee pressure, relative 刮刀在某一段行程内作用于印版上的线性压力除以这段行程的长度
16) 丝网厚度 thickness of mesh 丝网模版载体上下两面之间的距离
17) Bridge(锡桥):把两个应该导电连接的导体连接起来的焊锡,引起短路。
18) Buried via(埋入的通路孔):PCB的两个或多个内层之间的导电连接(即,从外层看不见的)。
19) CAD/CAM system(计算机辅助设计与制造系统):计算机辅助设计是使用专门的软件工具来设计印刷电路结构;计算机辅助制造把这种设计转换成实际的产
20) 品。这些系统包括用于数据处理和储存的大规模内存、用于设计创作的输入和把储存的信息转换成图形和报告的输出设备
21) Capillary action(毛细管作用):使熔化的焊锡,逆着重力,在相隔很近的固体表面流动的一种自然现象。
22) Chip on board (COB板面芯片):一种混合技术,它使用了面朝上胶着的芯片元件,传统上通过飞线专门地连接于电路板基底层。
23) Circuit tester(电路测试机):一种在批量生产时测试PCB的方法。包括:针床、元件引脚脚印、导向探针、内部迹线、装载板、空板、和元件测试。
24) Cladding(覆盖层):一个金属箔的薄层粘合在板层上形成PCB导电布线。
25) Coefficient of the thermal expansion(温度膨胀系数):当材料的表面温度增加时,测量到的每度温度材料膨胀百万分率(ppm)
26) Cold cleaning(冷清洗):一种有机溶解过程,液体接触完成焊接后的残渣xx。
27) Cold solder joint(冷焊锡点):一种反映湿润作用不够的焊接点,其特征是,由于加热不足或清洗不当,外表灰色、多孔。
28) Component density(元件密度):PCB上的元件数量除以板的面积。
29) Conductive epoxy(导电性环氧树脂):一种聚合材料,通过加入金属粒子,通常是银,使其通过电流。
30) Conductive ink(导电墨水):在厚胶片材料上使用的胶剂,形成PCB导电布线图。
31) Conformal coating(共形涂层):一种薄的保护性涂层,应用于顺从装配外形的PCB。
32) Copper foil(铜箔):一种阴质性电解材料,沉淀于电路板基底层上的一层薄的、连续的金属箔, 它作为PCB的导电体。它容易粘合于绝缘层,接受印刷保
33) 护层,腐蚀后形成电路图样。 Copper mirror test(铜镜测试):一种助焊剂腐蚀性测试,在玻璃板上使用一种真空沉淀薄膜。
34) Cure(烘焙固化):材料的物理性质上的变化,通过化学反应,或有压/无压的对热反应。
35) Cycle rate(循环速率):一个元件贴片名词,用来计量从拿取、到板上定位和返回的机器速度,也叫测试速度。
36) Data recorder(数据记录器):以特定时间间隔,从着附于PCB的热电偶上测量、采集温度的设备。
37) Defect(缺陷):元件或电路单元偏离了正常接受的特征。
38) Delamination(分层):板层的分离和板层与导电覆盖层之间的分离。
39) Desoldering(卸焊):把焊接元件拆卸来修理或更换,方法包括:用吸锡带吸锡、真空(焊锡吸管)和热拔。
40) Dewetting(去湿):熔化的焊锡先覆盖、后收回的过程,留下不规则的残渣。
41) DFM(为制造着想的设计):以xxx的方式生产产品的方法,将时间、成本和可用资源考虑在内。
42) Dispersant(分散剂):一种化学品,加入水中增加其去颗粒的能力。
43) Documentation(文件编制):关于装配的资料,解释基本的设计概念、元件和材料的类型与数量、专门的制造指示和{zx1}版本。使用三种类型:原型机和少数
44) 量运行、标准生产线和/或生产数量、以及那些指定实际图形的政府合约。
45) Downtime(停机时间):设备由于维护或失效而不生产产品的时间。
46) Durometer(硬度计):测量刮板刀片的橡胶或塑料硬度。
47) Environmental test(环境测试):一个或一系列的测试,用于决定外部对于给定的元件包装或装配的结构、机械和功能完整性的总影响。
48) Eutectic solders(共晶焊锡):两种或更多的金属合金,具有{zd1}的熔化点,当加热时,共晶合金直接从固态变到液态,而不经过塑性阶段。
49) Fabrication():设计之后装配之前的空板制造工艺,单独的工艺包括叠层、金属加成/减去、钻孔、电镀、布线和清洁。
50) Fiducial(基准点):和电路布线图合成一体的专用标记,用于机器视觉,以找出布线图的方向和位置。
51) Fillet(焊角):在焊盘与元件引脚之间由焊锡形成的连接。即焊点。
52) Fine-pitch technology (FPT密脚距技术):表面贴片元件包装的引脚中心间隔距离为 0.025″(0.635mm)或更少。
53) Fixture(夹具):连接PCB到处理机器中心的装置。
54) Flip chip(倒装芯片):一种无引脚结构,一般含有电路单元。 设计用于通过适当数量的位于其面上的锡球(导电性粘合剂所覆盖),在电气上和机械上连
55) 接于电路。
56) Full liquidus temperature(xx液化温度):焊锡达到{zd0}液体状态的温度水平,最适合于良好湿润。
57) Functional test(功能测试):模拟其预期的操作环境,对整个装配的电器测试。
58) Golden boy(金样):一个元件或电路装配,已经测试并知道功能达到技术规格,用来通过比较测试其它单元。
59) Halides(卤化物):含有氟、氯、溴、碘或砹的化合物。是助焊剂中催化剂部分,由于其腐蚀性,必须xx。
60) Hard water(硬水):水中含有碳酸钙和其它离子,可能聚集在干净设备的内表面并引起阻塞。
61) Hardener(硬化剂):加入树脂中的化学品,使得提前固化,即固化剂。
62) In-circuit test(在线测试):一种逐个元件的测试,以检验元件的放置位置和方向。
63) Just-in-time (JIT刚好准时):通过直接在投入生产前供应材料和元件到生产线,以把库存降到最少。
64) Lead configuration(引脚外形):从元件延伸出的导体,起机械与电气两种连接点的作用。
65) Line certification(生产线确认):确认生产线顺序受控,可以按照要求生产出可靠的PCB。
66) Machine vision(机器视觉):一个或多个相机,用来帮助找元件中心或提高系统的元件贴装精度。
67) Mean time between failure (MTBF平均故障间隔时间):预料可能的运转单元失效的平均统计时间间隔,通常以每小时计算,结果应该表明实际的、预
68) 计的或计算的。Nonwetting(不熔湿的):焊锡不粘附金属表面的一种情况。由于待焊表面的污染,不熔湿的特征是可见基底金属的裸露
69) Omegameter(奥米加表):一种仪表,用来测量PCB表面离子残留量,通过把装配浸入已知高电阻率的酒精和水的混合物,其后,测得和记录由于离子残留而引
70) 起的电阻率下降。Open(开路):两个电气连接的点(引脚和焊盘)变成分开,原因要不是焊锡不足,要不是连接点引脚共面性差。
71) Organic activated (OA有机活性的):有机酸作为活性剂的一种助焊系统,水溶性的。
72) Packaging density(装配密度):PCB上放置元件(有源/无源元件、连接器等)的数量;表达为低、中或高。
73) Photoploter(相片绘图仪):基本的布线图处理设备,用于在照相底片上生产原版PCB布线图(通常为实际尺寸)。
74) Pick-and-place(拾取-贴装设备):一种可编程机器,有一个机械手臂,从自动供料器拾取元件,移动到PCB上的一个定点,以正确的方向贴放于正确的位
75) 置。
76) Placement equipment(贴装设备):结合高速和准确定位地将元件贴放于PCB的机器,分为三种类型:SMD的大量转移、X/Y定位和在线转移系统,可以组合以
77) 使元件适应电路板设计。
78) Reflow soldering(回流焊接):通过各个阶段,包括:预热、稳定/干燥、回流峰值和冷却,把表面贴装元件放入锡膏中以达到{yj}连接的工艺过程。
79) Repair(修理):恢复缺陷装配的功能的行动。
80) Repeatability(可重复性):xx重返特性目标的过程能力。一个评估处理设备及其连续性的指标。
81) Rework(返工):把不正确装配带回到符合规格或合约要求的一个重复过程。
82) Rheology(流变学):描述液体的流动、或其粘性和表面张力特性,如,锡膏。
83) Saponifier(皂化剂):一种有机或无机主要成份和添加剂的水溶液,用来通过诸如可分散清洁剂,促进松香和水溶性助焊剂的xx。
84) Schematic(原理图):使用符号代表电路布置的图,包括电气连接、元件和功能。
85) Semi-aqueous cleaning(不xx水清洗):涉及溶剂清洗、热水冲刷和烘干循环的技术。
86) Shadowing(阴影):在红外回流焊接中,元件身体阻隔来自某些区域的能量,造成温度不足以xx熔化锡膏的现象。
87) Silver chromate test(铬酸银测试):一种定性的、卤化离子在RMA助焊剂中存在的检查。(RMA可靠性、可维护性和可用性)
88) Slump(坍落):在模板丝印后固化前,锡膏、胶剂等材料的扩散。
89) Solder bump(焊锡球):球状的焊锡材料粘合在无源或有源元件的接触区,起到与电路焊盘连接的作用。
90) Solderability(可焊性):为了形成很强的连接,导体(引脚、焊盘或迹线)熔湿的(变成可焊接的)能力。
91) Soldermask(阻焊):印刷电路板的处理技术,除了要焊接的连接点之外的所有表面由塑料涂层覆盖住。
92) Solids(固体):助焊剂配方中,松香的重量百分比,(固体含量)
93) Solidus(固相线):一些元件的焊锡合金开始熔化(液化)的温度。
94) Statistical process control (SPC统计过程控制):用统计技术分析过程输出,以其结果来指导行动,调整和/或保持品质控制状态。
95) Storage life(储存寿命):胶剂的储存和保持有用性的时间。
96) Subtractive process(负过程):通过去掉导电金属箔或覆盖层的选择部分,得到电路布线。
97) Surfactant(表面活性剂):加入水中降低表面张力、改进湿润的化学品。
98) Syringe(注射器):通过其狭小开口滴出的胶剂容器。
99) Tape-and-reel(带和盘):贴片用的元件包装,在连续的条带上,把元件装入凹坑内,凹坑由塑料带盖住,以便卷到盘上,供元件贴片机用。
100) Thermocouple(热电偶):由两种不同金属制成的传感器,受热时,在温度测量中产生一个小的直流电压。
101) Type I, II, III assembly({dy}、二、三类装配):板的一面或两面有表面贴装元件的PCB(I);有引脚元件安装在主面、有SMD元件贴装在一面或两面的
102) 混合技术(II);以无源SMD元件安装在第二面、引脚(通孔)元件安装在主面为特征的混合技术(III)。
103) Tombstoning(元件立起):一种焊接缺陷,片状元件被拉到垂直位置,使另一端不焊。
104) Ultra-fine-pitch(超密脚距):引脚的中心对中心距离和导体间距为0.010”(0.25mm)或更小。
105) Vapor degreaser(汽相去油器):一种清洗系统,将物体悬挂在箱内,受热的溶剂汽体凝结于物体表面。
106) Void(空隙):锡点内部的空穴,在回流时气体释放或固化前夹住的助焊剂残留所形成。
107) Yield(产出率):制造过程结束时使用的元件和提交生产的元件数量比率。
(八) 锡膏印刷质量控制
在表面贴装装配的回流焊接中,锡膏用于表面贴装元件的引脚或端子与焊盘之间的连接。有许多变量,如锡膏、丝印机、锡膏应用方法和印刷工艺过程。在印刷锡膏的过程中,基板放在工作台上,机械地或真空夹紧定位,用定位销或视觉来对准。或者丝网(screen)或者模板(stencil)用于锡膏印刷。本文将着重讨论几个关键的锡膏印刷问题,如模板设计和印刷工艺过程
(一) 印刷工艺过程与设备
在锡膏印刷过程中,印刷机是达到所希望的印刷品质的关键。今天可购买到的丝印机分为两种主要类型:实验室与生产。每个类型有进一步的分类,因为每个公司希望从实验室与生产类型的印刷机得到不同的性能水平。例如,一个公司的研究与开发部门(R&D)使用实验室类型制作产品原型,而生产则会用另一种类型。还有,生产要求可能变化很大,取决于产量。因为激光切割设备是不可能分类的,{zh0}是选择与所希望的应用相适应的丝印机。
在手工或半自动印刷机中,锡膏是手工地放在模板/丝网上,这时印刷刮板(squeegee)处于模板的另一端。在自动印刷机中,锡膏是自动分配的。在印刷过程中,印刷刮板向下压在模板上,使模板底面接触到电路板顶面。当刮板走过所腐蚀的整个图形区域长度时,锡膏通过模板/丝网上的开孔印刷到焊盘上。
在锡膏已经沉积之后,丝网在刮板之后马上脱开(snap off),回到原地。这个间隔或脱开距离是设备设计所定的,大约0.020″~0.040″。脱开距离与刮板压力是两个达到良好印刷品质的与设备有关的重要变量。
如果没有脱开,这个过程叫接触(on-contact)印刷。当使用全金属模板和刮刀时,使用接触印刷。非接触(off-contact)印刷用于柔性的金属丝网
(二) 刮板(squeegee)类型
刮板的磨损、压力和硬度决定印刷质量,应该仔细监测。对可接受的印刷品质,刮板边缘应该锋利和直线。刮板压力低造成遗漏和粗糙的边缘,而刮板压力高或很软的刮板将引起斑点状的(smeared)印刷,甚至可能损坏刮板和模板或丝网。过高的压力也倾向于从宽的开孔中挖出锡膏,引起焊锡圆角不够。常见有两种刮板类型:橡胶或聚氨酯(polyurethane)刮板和金属刮板。当使用橡胶刮板时,使用70-90橡胶硬度计(durometer)硬度的刮板。当使用过高的压力时,渗入到模板底部的锡膏可能造成锡桥,要求频繁的底部抹擦。为了防止底部渗透,焊盘开口在印刷时必须提供密封(gasketing)作用。这取决于模板开孔壁的粗糙度。金属刮刀也是常用的。随着更密间距元件的使用,金属刮刀的用量在增加。它们由不锈钢或黄铜制成,具有平的刀片形状,使用的印刷角度为30~45°。一些刮刀涂有润滑材料。因为使用较低的压力,它们不会从开孔中挖出锡膏,还因为是金属的,它们不象橡胶刮板那样容易磨损,因此不需要锋利。它们比橡胶刮板成本贵得多,并可能引起模板磨损。
使用不同的刮板类型在使用标准元件和密脚元件的印刷电路装配(PCA)中是有区分的。锡膏量的要求对每一种元件有很大的不同。密间距元件要求比标准表面贴装元件少得多的焊锡量。焊盘面积和厚度控制锡膏量。
一些工程师使用双厚度的模板来对密脚元件和标准表面贴装焊盘施用适当的锡膏数量。其它工程师采用一种不同的方法 – 他们使用不需要经常锋利的更经济的金属刮刀。用金属刮刀更容易防止锡膏沉积量的变化,但这种方法要求改良的模板开孔设计来防止在密间距焊盘上过多的锡膏沉积。这个方法在工业上变得更受欢迎,但是,使用双厚度印刷的橡胶刮板也还没有消失
(三) 模板(stencil)类型
重要的印刷品质变量包括模板孔壁的精度和光洁度。保存模板宽度与厚度的适当的纵横比(aspect ratio)是重要的。推荐的纵横比为1.5。这对防止模板阻塞是重要。一般,如果纵横比小于1.5,锡膏会保留在开孔内。除了纵横比之外,如IPC-7525《模板设计指南》所推荐的,还要有大于0.66的面积比(焊盘面积除以孔壁面积)。IPC-7525可作为模板设计的一个良好开端。
制作开孔的工艺过程控制开孔壁的光洁度和精度。有三种常见的制作模板的工艺:化学腐蚀、激光切割和加成(additive)工艺
化学腐蚀(chemically etched)模板
金属模板和柔性金属模板是使用两个阳性图形通过从两面的化学研磨来蚀刻的。在这个过程中,蚀刻不仅在所希望的垂直方向进行,而且在横向也有。这叫做底切(undercutting) – 开孔比希望的较大,造成额外的焊锡沉积。因为50/50从两面进行蚀刻,其结果是几乎直线的孔壁,在中间有微微沙漏形的收窄。
因为电蚀刻模板孔壁可能不平滑,电抛光,一个微蚀刻工艺,是达到平滑孔壁的一个方法。另一个达到较平滑孔壁的方法是镀镍层(nickel plating)。抛光或平滑的表面对锡膏的释放是好的,但可能引起锡膏越过模板表面而不在刮板前滚动。这个问题可通过选择性地抛光孔壁而不是整个模板表面来避免。镀镍进一步改善平滑度和印刷性能。可是,它减小了开孔,要求图形调整
激光切割(laser-cut)模板
激光切割是另一种减去(subtractive)工艺,但它没有底切问题。模板直接从Gerber数据制作,因此开孔精度得到改善。数据可按需要调整以改变尺寸。更好的过程控制也会改善开孔精度。激光切割模板的另一个优点是孔壁可成锥形。化学蚀刻的模板也可以成锥形,如果只从一面腐蚀,但是开孔尺寸可能太大。板面的开口稍微比刮板面的大一点的锥形开孔(0.001″~0.002″,产生大约2°的角度),对锡膏释放更容易。
激光切割可以制作出小至0.004″的开孔宽度,精度达到0.0005″,因此很适合于超密间距(ultra-fine-pitch)的元件印刷。激光切割的模板也会产生粗糙的边缘,因为在切割期间汽化的金属变成金属渣。这可能引起锡膏阻塞。更平滑的孔壁可通过微蚀刻来产生。激光切割的模板如果没有预先对需要较薄的区域进行化学腐蚀,就不能制成台阶式多级模板。激光一个一个地切割每一个开孔,因此模板成本是要切割的开孔数量而定
电铸成型(electroformed)模板
制作模板的第三种工艺是一种加成工艺,最普遍地叫做电铸成型。在这个工艺中,镍沉积在铜质的阴极心上以形成开孔。一种光敏干胶片叠层在铜箔上(大约0.25″厚度)。胶片用紫外光通过有模板图案的遮光膜进行聚合。经过显影后,在铜质心上产生阴极图案,只有模板开孔保持用光刻胶(photoresist)覆盖。然后在光刻胶的周围通过镀镍形成了模板。在达到所希望的模板厚度后,把光刻胶从开孔除掉。电铸成型的镍箔通过弯曲从铜心上分开 – 一个关键的工艺步骤。现在箔片准备好装框,制作模板的其它步骤。
电铸成型台阶式模板可以做得到,但成本增加。由于可达到精密的公差,电铸成型的模板提供良好的密封作用,减少了模板底面的锡膏渗漏。这意味着模板底面擦拭的频率显著地降低,减少潜在的锡桥
结论
化学腐蚀和激光切割是制作模板的减去工艺。化学蚀刻工艺是最老的、使用最广的。激光切割相对较新,而电铸成型模板是{zx1}时兴的东西。
为了达到良好的印刷结果,必须有正确的锡膏材料(黏度、金属含量、{zd0}粉末尺寸和尽可能{zd1}的助焊剂活性)、正确的工具(印刷机、模板和刮刀)和正确的工艺过程(良好的定位、清洁拭擦)的结合
(九) SMT基本工艺构成要素丝印(或点胶)
丝印:其作用是将焊膏或贴片胶漏印到PCB的焊盘上,为元器件的焊接做准备。所用设备为丝印机(丝网印刷机),位于SMT生产线的最前端
点胶:它是将胶水滴到PCB的的固定位置上,其主要作用是将元器件固定到PCB板上。所用设备为点胶机,位于SMT生产线的最前端或检测设备的后面
贴装:其作用是将表面组装元器件准确安装到PCB的固定位置上。所用设备为贴片机,位于SMT生产线中丝印机的后面
固化:其作用是将贴片胶融化,从而使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起。所用设备为固化炉,位于SMT生产线中贴片机的后面
回流焊接:其作用是将焊膏融化,使表面组装元器件与PCB板牢固粘接在一起。所用设备为回流焊炉,位于SMT生产线中贴片机的后面
清洗:其作用是将组装好的PCB板上面的对人体有害的焊接残留物如助焊剂等除去。所用设备为清洗机,位置可以不固定,可以在线,也可不在线
检测:其作用是对组装好的PCB板进行焊接质量和装配质量的检测。所用设备有放大镜、显微镜、在线测试仪(ICT)、飞针测试仪、自动光学检测(AOI)、X-RAY检测系统、功能测试仪等。位置根据检测的需要,可以配置在生产线合适的地方
返修:其作用是对检测出现故障的PCB板进行返工。所用工具为烙铁、返修工作站等。配置在生产线中任意位置
(十) 焊接材料焊锡作为所有三种级别的连接:
裸片(die)、包装(package)和电路板装配(board assembly)的连接材料。另外,锡/铅(tin/lead)焊锡通常用于元件引脚和PCB的表面涂层。考虑到铅(Pb)在技术上已存在的作用与反作用,焊锡可以分类为含铅或不含铅。现在,已经在无铅系统中找到可行的、代替锡/铅材料的、元件和PCB的表面涂层材料。可是对连接材料,对实际的无铅系统的寻找仍然进行中。这里,总结一下锡/铅焊接材料的基本知识,以及焊接点的性能因素,随后简要讨论一下无铅焊锡
焊锡通常定义为液化温度在400°C(750°F)以下的可熔合金。裸片级的(特别是倒装芯片)锡球的基本合金含有高温、高铅含量,比如Sn5/Pb95或Sn10/Pb90。共晶或临共晶合金,如Sn60/Pb40,Sn62/Pb36/Ag2和Sn63/Pb37,也成功使用。例如,载体CSP/BGA板层底面的锡球可以是高温、高铅或共晶、临共晶的锡/铅或锡/铅/银材料。由于传统板材料,如FR-4,的赖温水平,用于附着元件和IC包装的板级焊锡局限于共晶,临共晶的锡/铅或锡/铅/银焊锡。在某些情况,使用了锡/银共晶和含有铋(Bi)或铟(In)的低温焊锡成分
焊锡可以有各种物理形式使用,包括锡条、锡锭、锡线、锡粉、预制锭、锡球与柱、锡膏和熔化状态。焊锡材料的固有特性可从三个方面考虑:物理、冶金和机械
物理特性对今天的包装和装配特别重要的有五个物理特性: 冶金相化温度(Metallurgical phase-transition temperature)有实际的暗示,液相线温度可看作相当于熔化温度,固相线温度相当于软化温度。对给定的化学成分,液相线与固相线之间的范围叫做塑性或粘滞阶段。选作连接材料的焊锡合金必须适应于最恶劣条件下的最终使用温度。因此,希望合金具有比所希望的{zg}使用温度至少高两倍的液相线。当使用温度接近于液相线时,焊锡通常会变得机械上与冶金上“脆弱”
焊锡连接的导电性(electrical conductivity)描述了它们的电气信号的传送性能。从定义看,导电性是在电场的作用下充电离子(电子)从一个位置向另一个位置的运动。电子导电性是指金属的,离子导电性是指氧化物和非金属的。焊锡的导电性主要是电子流产生的。电阻 — 与导电性相反 — 随着温度的上升而增加。这是由于电子的移动性减弱,它直接与温度上升时电子运动的平均自由路线(mean-free-path)成比例。焊锡的电阻也可能受塑性变形的程度的影响(增加)
金属的导热性(thermal conductivity)通常与导电性直接相关,因为电子主要是导电和导热。(可是,对绝缘体,声子的活动占主要。) 焊锡的导热性随温度的增加而减弱
自从表面贴装技术的开始,温度膨胀系数(CTE, coefficient of thermal expansion)问题是经常讨论到的,它发生在SMT连接材料特性的温度膨胀系数(CTE)通常相差较大的时候。一个典型的装配由FR-4板、焊锡和无引脚或有引脚的元件组成。它们各自的温度膨胀系数(CTE)为,16.0 × 10-6/°C(FR-4); 23.0 × 10-6/°C(Sn63/Pb37); 16.5 × 10-6/°C(铜引脚); 和6.4 × 10-6/°C(氧化铝Al2O3无引脚元件)。在温度的波动和电源的开关下,这些CTE的差别增加焊接点内的应力和应变,缩短使用寿命,导致早期失效。两个主要的材料特性决定CTE的大小,晶体结构和熔点。当材料具有类似的晶格结构,它们的CTE与熔点是相反的联系
熔化的焊锡的表面张力(surface tension)是一个关键参数,与可熔湿性和其后的可焊接性相关。由于在表面的断裂的结合,作用在表面分子之间的吸引力相对强度比焊锡内部的分子力要弱。因此材料的自由表面比其内部具有更高的能量。对熔湿焊盘的已熔化的焊锡来说,焊盘的表面必须具有比熔化的焊锡表面更高的能量。换句话说,已熔化金属的表面能量越低(或金属焊盘的表面能量越高),熔湿就更容易
冶金特性在焊锡连接使用期间暴露的环境条件下,通常发生的冶金现象包括七个不同的改变
塑性变形(plastic deformation)。当焊锡受到外力,如机械或温度应力时,它会发生不可逆变的塑性变形。通常是从焊锡晶体结合的一些平行平面开始,它可能在全部或局部(焊锡点内)进行,看应力水平、应变率、温度和材料特性而定。连续的或周期性的塑性变形最终导致焊点断裂
应变硬化(strain-hardening),是塑性变形的结果,通常在应力与应变的关系中观察得到
回复过程(recovery process)是应变硬化的相反的现象,是软化的现象,即,焊锡倾向于释放储存的应变能量。该过程是热动力学过程,能量释放过程开始时快速,其后过程则较慢。对焊接点失效敏感的物理特性倾向于恢复到其初始的值。仅管如此,这不会影响微结构内的可见的变化
再结晶(recrystallization)是经常在使用期间观察到的焊接点内的另一个现象。它通常发生在相当较高的温度下,涉及比回复过程更大的从应变材料内释放的能量。在再结晶期间,也形成一套新的基本无应变的晶体结构,明显包括晶核形成和生长过程。再结晶所要求的温度通常在材料{jd1}熔点的三分之一到二分之一
溶液硬化(solution-hardening),或固体溶液合金化过程,造成应力增加。一个例子就是当通过添加锑(Sb)来强化Sn/Pb成分。如图一所示
沉淀硬化(precipitaion-hardening)包括来自有充分搅拌的微沉淀结构的强化效果
焊锡的超塑性(superplasticity)出现在低应力、高温和低应变率相结合的条件下
机械特性 焊锡的三个基本的机械特性包括应力对应力特性、懦变阻抗和疲劳阻抗
虽然应力可通过张力、压力或剪切力产生,大多数合金的剪切力比张力或压力要弱。剪切强度是很重要的,因为大多数焊接点在使用中经受剪切应力
懦变是当温度和应力(负荷)都保持常数时的一种全面塑性变形。这个依靠时间的变形可能在{jd1}零度以上的任何温度下发生。可是,懦变只是在“活跃”温度才变得重要
疲劳是在交变应力下的合金失效。在循环负荷下合金所能忍受的应力比静态负荷下小得多。因此,屈服强度,焊锡阻抗{yj}变形的静态应力,经常与疲劳强度无关。通常疲劳断裂开始于几个微小的裂纹,在重复应力作用下增长,造成焊接点截面的承载能力下降
电子包装与装配应用中等焊锡一般经受低频疲劳(疲劳寿命小于10,000周期)和高应力。温度机械疲劳是用来介定焊锡特性的另一个测试模式。材料受制于循环的温度极限,即温度疲劳测试模式。每个方法都有其独特的特性和优点,两者都影响焊锡上的应变循环
性能与外部设计 人们都认识到焊锡点的可靠性不仅依靠内在的特性,而且依靠设计、要装配的元件与板、用以形成焊接点的过程和长期使用的环境。还有,焊接点表现的特性是有别于散装的焊锡材料。因此,一些已建立的散装焊锡与焊接点之间的机械及温度特性可能不xx相同。主要地,这是由于电路板层表面对焊锡量的高比率,在固化期间造成大量异相晶核座,以及当焊锡点形成时元素或冶金成分的浓度变化。任何一种情况都可能导致反应缺乏均匀性的结构。随着焊锡点厚度的减少,这种界面衰歇将更明显。因此,焊接点的特性可能改变,失效机制可能与从散装的焊锡得出的不一样
元件与板的设计也会对焊锡点特性有重要影响。例如,和焊盘有联系的阻焊的设计(如限定的或非限定的阻焊),将影响焊锡点的性能以及失效机制
对每一种元件包装类型,观察和介定各自的焊接点失效模式。例如,翅形QFP的焊接点裂纹经常从焊点圆角的脚跟部开始,第二条裂纹在脚趾区域;BGA的焊点失效通常在焊锡球与包装的界面或焊锡球与板的界面发现
另一个重要因素是系统温度管理。IC芯片的散热要求在不断增加。运行期间产生的热量必须有效地从芯片带出到包装表面,然后到室温。在出现由于过热而引起的系统失效之前,IC的性能可能变得不稳定,和前面所说的温度与导电性之间的关系一样。元件的包装与电路板的设计都会影响到散热过程的效率
焊锡节点比其替代品聚合胶的传导热量要有效得多
当焊锡点通过一个品质过程适当地形成后,与其使用寿命相联系的是懦变/疲劳的交互作用、金属化合的发展和微结构的进化。失效模式随系统的构成而变化,比如包装类型(PBGA、CSP、QFP 电容,等)、温度和应变水平、使用的材料、圆角体积焊锡点几何形状以及其它设计因素。更高功率的芯片和现在设计不断增加密度的电路更加要求焊点的更好的温度疲劳强度
无铅焊锡 对无铅焊锡的兴趣随着时间发生变化,有激动也有冷漠。虽然还没有立法的影响,开发无铅焊锡的另一个、可能更重要的目标是把焊锡提高到一个新的性能水平
典型的PCB装配共晶锡/铅(Sn63/Pb37)焊锡点通常遇到累积的退化,造成温度疲劳。这个退化经常与焊点界面的金相粗糙有关,如图二所示,而它又与铅(Pb)或富铅(Pb-rich)金相更密切
如果取消铅,那无铅焊锡经受温度循环的损害机制会改变吗?在没有其它主要失效(金属间化合、粘合差、过多空洞,等)的条件下,温度疲劳环境中无铅焊锡点的失效机制很可能不会涉及与锡/铅相同程度的金相粗糙。实际上应该设计无铅合金以防止金相粗糙,因而提供更高的疲劳阻抗,因为有适当的微结构进化。图三比较受温度疲劳的无锡焊锡点的强度,显示两种无铅合金没有金相粗糙
已介绍各种无铅成分。多数似乎至少在一个区域失效:例如,可能缺少本身的性能来显示焊接期间即时流动和良好的熔湿性能;熔化温度可能太高,超出同用PCB的温度忍耐水平;或者可能展示机械性能不足。只有那些结合所希望的物理和机械特性与满足制造要求的能力的无铅焊锡才被认做可利用的材料
(十一) SMT中表面安装元器件的选取
(一) 概述
表面安装元器件的选择和设计是产品总体设计的关键一环,设计者在系统结构和详细电路设计阶段确定元器件的电气性能和功能,在SMT设计阶段应根据设备及工艺的具体情况和总体设计要求确定表面组装元器件的封装形式和结构。表面安装的焊点既是机械连接点又是电气连接点,合理的选择对提高PCB设计密度、可生产性、可测试性和可靠性都产生决定性的影响。
表面安装元器件在功能上和插装元器件没有差别,其不同之处在于元器件的封装。表面安装的封装在焊接时要经受奶高的温度其元器件和基板必须具有匹配的热膨胀系数。这些因素在产品设计中必须全盘考虑。选择合适的封装,其优点主要是:1).有效节省PCB面积;2).提供更好的电学性能;3).对元器件的内部起保护作用,免受潮湿等环境影响;4).提供良好的通信联系;5).帮助散热并为传送和测试提供方便
(二) 表面安装元器件的选取
表面安装元器件分为有源和无源两大类。按引脚形状分为鸥翼型和“J”型。下面以此分类阐述元器件的选取。
1无源器件
元源器件主要包括单片陶瓷电容器、钽电容器和厚膜电阻器,外形为长方形或园柱形。园柱形无源器件称为“MELF”,采用再流焊时易发生滚动,需采用特殊焊盘设计,一般应避免使用。长方形无源器件称为“CHIP”片式元器件,它的体积小、重量轻、xx素冲击性和抗震性好、寄生损耗小,被广泛应用于各类电子产品中。为了获得良好的可焊性,必须选择镍底阻挡层的电镀。
表面安装电阻器的电容器封装有各种外形尺寸。在选取时应避免选择过小尺寸:<0.08英寸x0.05英寸以减小贴放难度,也要避免选择过大尺寸:>0英寸X0.12英寸以避免使用环氧玻璃基板FR-4时产生热膨胀系数(CTE)失配片式元件要求能在260℃温度下承受5-10S的焊接时间。
(1)片式电阻器
片式电阻器分为两大类:厚膜型和薄膜型。额定功率为1/16、1/8、1/4瓦,电阻值从1欧到1兆欧的电阻器具有各种尺寸规格,按外形尺寸分为0805(0。08英寸X0.05英寸)、1206(0.12英寸X0.06英寸)、1210(0.12英寸X0.10英寸)等。一般来说1/16、1/8和1/4瓦的电阻器相应于0805、1206及1210。选取时应{sx}1/8瓦、外形尺寸为1206的元件。
(2)陶瓷电容器
陶瓷电容器有三种不同的介质类型:COG或NPO、X7R和Z5U。它们的电容范围各不相同。COG或NPO用于在很宽的温度、电压和频率范围内有高稳定性的电路;X7R和Z5U介质电容器的温度和电压特性较差,主要应用于旁路和去耦场合。 陶瓷电容器在波峰焊时容易开裂,原因是CTE失配。在焊接时电极和端接头的CTE高,受热比陶瓷快以致失配产生裂纹。解决的工艺办法是波峰焊之前预热电路板,减少热冲击。Z5U陶瓷电容器比X7R电容器更容易开裂,选取时应尽量采用X7R电容器
和 片式电阻器一样,其外形尺寸应量选用1206的电容器。
(3)电阻网络
表面安装电阻器网络采用“SO”封装,管脚为欧翼形。其焊盘图形设计标准,可根据电路需要加以选用。
现有最常用外形尺寸标准如下:150MIL宽外壳(SO)有8、14、16引脚;220MIL宽外壳(SOMC)有14、16引脚;300MIL宽外壳(SOL)有14、16、20、24、28引脚。
(4)钽电容器
表面安装钽电容器具有极高的体积效率和高可靠性。目前,该元件缺少标准化,一般使用字母标记。选择钽电容器最主要的是注意两头的端接头结构。它有两种主要的结构形式:一种是非压膜式,一端焊接短片触头;另一种是塑膜式,引脚触头向下卷。由于贴片机动性抓取非压膜式电容器时易出现贴片不准的问题,加上这种电容器的金属端接头会使焊点变脆,选取时应尽量选用塑膜式钽电容器。
2、有源器件
表面安装芯片载体有两大类:陶瓷和塑料。
陶瓷芯片封装的优点是:1)气密性好,对内部结构有良好的保护作用 2)信号路径较短,寄生参数、噪声、延时特性明显改善 3)降低功耗。缺点是因为无引脚吸收焊膏溶化时所产生的应力,封装和基板之间CTE失配可导致焊接时焊点开裂。目前,最常用的陶瓷饼片载体是无引线陶瓷习片载体LCCC。
塑料封装目前被广泛应用于军、民品生产上,具有良好的xxx。其封装形式分为:小外形晶体管SOT;小外形集成电路SOIC;塑封有引线芯片载体PLCC;小外形J封装;塑料扁平封装PQFP。
为了有效缩小PCB面积,在器件功能和性能相同的情况下{sx}引脚数20以下的SOIC,引脚数20-84之间的PLCC,引脚数大于84的PQFP
1) 无引线陶瓷芯片载体LCCC
电极中心距有1.0mm和1.27mm两种。矩形有18、22、28、32个电极数;方形有16、20、24、28、44、56、68、84、100、124、156个电极数。由于目前采用的基板多为FR-4,CTE失配的情况比较严重,应尽量避免选用。
2) 小外形晶体终究SOT
其常用的封装形式为三引脚的SOT23、SOT89,四引脚的SOT143,一般用于二、三极管。
SOT23是最常用的三引脚封装,可容纳的{zd0}芯片尺寸为0。030英寸X0.030英寸,按断面高低分为低位、中位、高位三种。为了得到较好的清洗效果,一般优选高位封装。
SOT89一般用于功率较大的器件,可容纳的{zd0}芯片尺寸为0.060英寸X0.060英寸。
SOT143通常用于射频(FR)晶体管的情况下,可容纳的{zd0}芯片尺寸为0.025英寸X0.025英寸。
3) 小外形集成电路SOIC
采用欧翼形封装。对于引脚数不大于20的器件来说,采用此类封装可节省更大的覆盖面积。
SOIC封装主要有两种不同的外壳宽度:150MIL和300MIL,主要有8、14、16、20、24、28个引脚数。
在选取时应注意引脚的共面度{zd0}为0.004英寸。
4) 塑料扁平封装PQFP
采用欧翼形封装。主要应用于ASIC专用集成电路。管脚 中心距分为1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.3mm几种,引脚数有84-304条。
管脚中心距越小、管脚数越多,引脚越易损伤,共面度不易保持在0.004英寸范围内。选取时应尽量采用带角缓冲垫封装的器件(四角有四个比引脚长约2MIL的垫子),以便在安装、返修、测试过程中保护引脚。
5) 塑封有引线芯片载体PLCC和小外形J封装
均采用J形封装。具有可塑性,能吸收焊点的应力从而避免焊点开裂,形成良好的焊点。
引脚数大于40时采用PLCC,占用覆盖面积小,不易变形、共面性好。
PLCC按外形分矩形和方形两种。矩形引线数有18、22、28、32条;方形引线数有16、20、24、28、44、52、68、84、100、124、156条。
小外形J封装是SOIC和PLCC的混合形式,结合了PLCC引线强度大、共面性好和SOIC空间存线率高的优点。主要用于高密度DRAM(1和4MB).
(三) 欧翼形封装和J形封装器件引脚分析比较
引脚 的形状决定了形成的焊点,对产品的可靠性和可生产性都有着重要的影响。目前采用的主要两种形状为:欧翼形和J形,形成的焊点分别见图1和图2.
J型引脚焊点示意图 引脚形状\性能 欧翼形 J形 封坚固性 一般 好 对各种焊接方法的适应能力 较强 有局限性 焊接后清洗的方便性 一般 较好 焊接后检验的方便性 一般 一般 覆盖面积率 一般 较好
两种封装形式各有段、缺点,但具体选择应根据SMT设备的具体情况加以选择。例如,采用PLCC的好处很多,但由于它对焊接方式的选择性较强,对于无强制对流的红外再流焊就无法形成良好的焊点,应慎重选择
(四) 结论
表面安装元器件的选取合理与否直接关系到产品的质量,在其电气性能确定后,还应根据具体设备从元器件材料、封装形式、可承受焊接温度、可焊性等各个方面加以综合考虑,只有这样,产品设计者设计出的电路才具有良好的可制造性和可靠性
SMD:表面组装器件(Surface Mounted Devices)主要有片式晶体管和集成电路,集成电路又包括SOP、SOJ、PLCC、LCCC、QFP、BGA、CSP ,FC、MCM等。连接件(Interconnect):提供机械与电气连接/断开,由连接插头和插座组成,将电缆、支架、机箱或其它PCB与PCB连接起来;可是与板的实际连接必须是通过表面贴装型接触
有源电子元件(Active):在模拟或数字电路中,可以自己控制电压和电流,以产生增益或开关作用,即对施加信号有反应,可以改变自己的基本特性
无源电子元件(Inactive):当施以电信号时不改变本身特性,即提供简单的、可重复的反应
异型电子元件(Odd-form):其几何形状因素是奇特的,但不必是独特的。因此必须用手工贴装,其外壳(与其基本功能成对比)形状是不标准的,例如:许多变压器、混合电路结构、风扇、机械开关块,等
Chip 片电阻, 电容等, 尺寸规格: 0201, 0402, 0603, 0805, 1206, 1210, 2010, 等钽电容, 尺寸规格: TANA,TANB,TANC,TAND SOT 晶体管,SOT23, SOT143, SOT89等 melf 圆柱形元件, 二极管, 电阻等 SOIC 集成电路, 尺寸规格: SOIC08, 14, 16, 18, 20, 24, 28, 32 QFP 密脚距集成电路 PLCC 集成电路, PLCC20, 28, 32, 44, 52, 68, 84 BGA 球栅列阵包装集成电路, 列阵间距规格: 1.27, 1.00, 0.80 CSP 集成电路, 元件边长不超过里面芯片边长的1.2倍, 列阵间距<>
(十二) 粘合剂/环氧化树脂与 点胶技术
环氧化树脂粘合剂的涂敷能力好、胶点的形状和尺寸一致、湿润性和固化强度高、固化快、有柔性,而且能够抗冲击。它们还适合高速涂敷非常小的胶点,在固化后电路板的电气特性良好。粘接强度是粘合剂性能中最重要的参数。组件和印刷电路板的粘接度,胶点的形状和大小,以及固化程度,这些因素将决定粘接强度。
流变性会影响环氧化树脂点的形成,以及它的形状和尺寸。为了保证胶点的形状合乎要求,粘合剂必须具有触变性,意思是粘合剂在搅动时会越来越稀薄,而在静止时则越来越稠。在建立可重复使用的粘合剂涂敷系统时,最重要的一点是如何把各种正确的流变特性结合起来。
粘合剂是按照电气、化学或者固化特性,以及它的物理特性分类。导电性粘合剂和非导电性粘合剂用在表面安装上。
自动涂敷系统的适用范围很广,从简单的涂布胶水到要求严格的材料涂布,例如,涂布焊膏、表面安装粘合剂(SMA)、密封剂和底部填充胶。
注射式点胶机可以用手动或者气动的办法控制。由注射技术发展而来的产品,具有xx、可重复和稳定的特点。目前有几种不同类型的阀适合注射点胶机,包括扣管点胶笔,还有隔膜、喷雾、针、滑阀和旋转阀。针在台式涂敷设备中也是一个重要的组件。xx涂敷需要使用金属涂敷针。
针的直径在0.1mm到1.6mm之间,当然,还有其他规格的针可供选择。喷涂技术非常适合对速度、精度要求更高或者要求对材料贴装进行控制的应用。它的主要适用范围包括,芯片级封装(CSP)、倒装芯片、不流动和预先涂布的底部填充胶,以及传统的导电粘合剂和表面安装粘合剂。喷涂技术使用机械组件、压电组件或者电阻组件迫使材料从喷嘴里射出去。
材料涂敷决定最终产品的成败。充分了解并选出最理想的材料、点胶机和移动的组合,是决定产品成败的关键。
(十三) 组件贴装
分立组件变得越来越小,于是组件的贴装变得越来越难。我们要求组件贴装准确,同时又要保证贴装可靠和重复,这是很困难的。0201组件已经越来越普通;但是,我们很快就会在电路板上看到01005组件。组件尺寸越来越小,电路板越来越复杂,需要在电路板上贴装各种各样的组件,而且组件的数量也越来越多。
贴装组件是很简单的,就是从传送带、传送架或者料盘中拾取组件,然后再把它们正确地贴到电路板上。组件贴装分为手动贴装、半自动贴装和全自动贴装。手动贴装非常适合返修时使用,但是它的xx度差,速度也不快,不适合目前的组件技术和生产线的要求。半自动贴装是用真空的办法把组件吸起来,然后放到电路板上。这个方法比手动贴装快得多,但是,由于它需要人的干预,还是会有出错的可能。全自动贴装在大批量组装中的应用非常普遍。高速组件贴装使用的可能就是这种机器,贴片速度从每小时三千到八万个组件不等。
贴片机的类型分为转动架型贴片机、龙门贴片机和灵活型贴片机三种。龙门贴片机的速度较快、尺寸较小、价格较低,而且它的编程能力较强,便于使用带装组件,因此,未来的SMT生产线都将使用龙门贴片机。这种机器可以迅速完成大型组件和微间距组件的贴装,这是它的优势。
不同的生产环境需要使用不同类型的贴片机。生产规模是首先需要考虑的问题。机器是否符合生产的要求,这要取决于需要把哪些组件贴装在电
路板上,需要贴装多少种组件,以及具体的生产环境情况如何。贴片机有几种,制造商可能无法只用一台机器来满足用户所有的要求。在购买新的贴片机时,你首先需要明确以下几个问题:
? 它可以生产规格多大的电路板?
? 需要使用多少种不同的组件?
? 会用到哪几类/哪几种规格的组件?
? 会出现多少变化?
? 每个面板的平均贴装组件数量是多少?
? 每小时可以生产多少块电路板?
? xxxx可以达到什么水平?成本是多少?
成功的组件贴装往往与各种设备有关。了解了整个工艺的各个环节,就可以根据不同贴片机的优点与缺点更容易地做出最有利的决定。
(十四) 焊接
无铅对生产制造的各个环节或多或少都会有些影响,但是没有哪个环节能够与再流焊相提并论。由于熔点温度较高,无铅焊料合金再流焊温度曲线的变化,因此在再流焊管理方面需要做一些调整。我们需要考虑的再熔工艺参数包括,峰值温度、液相线时间(TAL)以及温度上升和下降速度。此外,还要考虑冷却方面的要求、离开电路板时的温度和助焊剂的控制。
在无铅再流焊方面,最常见的问题是,气泡、电路板变形和元件的损坏,这些都是再流焊工艺在超出技术规范规定的范围时造成的。有一些元件,例如,铝电解电容器和一些其他塑料连接器,要求温度比较低,要防止温度过高而造成损坏,但是象插座这样的大元件需要更多的热量才能得到好的焊点,因此当电路板上有这些不同类型元件时,制定再流焊温度曲线是一个挑战性的问题。向后兼容性(装在锡铅电路板上的无铅BGA元件)也使问题变得更加复杂。
在对流焊接中,再流焊的温度较高,这表示,要求助焊剂不可以很容易就燃烧。对再流焊炉来说,助焊剂收集系统不仅要在更高的温度下工作,并且要容纳更多的助焊剂。
在加热过程中氮气(N2)可以防止金属表面出现氧化,并且保证助焊剂妥善地xx。但是,值得一提的是,在使用无铅SAC305合金时时,氮气在再流焊炉中是起不了什么作用的。对价格敏感的行业,可能还不打算在无铅中使用氮气。
就穿孔或者表面安装的分立元件而言,在转到无铅波峰焊时,由于无铅焊料中锡占的比例较高,炉温也较高,因此焊锡炉要能够抗腐蚀。在无铅焊料中,锡的含量{zg},要求的温度也较高,会促进残渣的形成。
无铅焊锡炉需要进行水平较高的预防性维护和保养,以便保证机器的正常运作。像锡银铜这样的合金会侵蚀较旧的波峰焊接机上使用的材料。
汽相再流焊工艺在无铅合金上已经取得了成功,它可以
避免高温处理时出现变化。这个工艺具有良好的热转移特性。
激光焊接有利于改善这种自动化工艺,而且非常适合对温度比较敏感的元件。这种方法的速度较慢,但是它符合无铅的要求。关于使用无铅合金进行批量焊接的大部份观点同样也适用于返修用的手工焊接。
在使用免清洗工艺时,助焊剂的选择是关键。固化能力较强的免清洗助焊剂能够降低焊接缺陷,但是它会在电路板上留下更多肉眼看得到的助焊剂。
在进行无铅焊接时需要考虑以下几方面的问题:焊接方法、焊接设备、焊料合金、助焊剂、热电耦、氮气、焊锡炉,同时还要解决在过渡阶段在同一块电路板上既有锡铅焊料又有无铅焊料的问题。
(十五) 清洗
清洗印刷电路板是非常重要而且能够增加价值的工艺,它可以xx由不同制造工艺和处理方法造成的污染。如果没有经过适当的清洗,表面污物可能会在生产过程中造成缺陷。无铅增加了清洗工艺的重要性。比起锡铅工艺,无铅焊接工艺通常需要使用更多的助焊剂和活性更高的助焊剂,因此,往往需要进行清洗,把去助焊剂残渣去掉。
在选择适当的清洗介质和设备时,主要考虑以下几个因素:系统必须环保,经济有效;关于挥发性有机化合物(VOC)的局部散发和废水的法规(COD/BOD/pH)可能会影响解决办法和设备的选择;这种清洗剂还必须适应组装材料和洗涤设备的要求。
在SMT组装中,最常用的清洗方法是在线喷洒系统或者批量喷洒系统。超声波和蒸汽去脂的方法属于其他的批量清洗方法。批量清洗方法最适合产量低、品种多的生产。在线喷洒针对的是产量高、品种单一的生产,或者是品种很多的生产。
水洗清洗—这种清洗方法使用水或者是含有清洗剂的水(清洗剂的含量一般在2–30%之间)。水溶性材料通常由可于用来喷洒的液态酒精或者VOC溶液构成。这种办法能够把表面安装技术或者穿孔技术中的使用松香的低残渣助焊剂清洗掉。水溶性清洗通常用于高压在线清洗设备。
半湿性清洗—这是溶剂清洗/水冲洗工艺。这项技术使用的一些化学材料包括非线性酒精和合成酒精化合物。非线性酒精把活性较低和活性适中的材料整合在一起,它可以清洗较难xx的助焊剂,例如,高温树脂和合成树脂,以及水溶性助焊剂和免清洗助焊剂。
我们使用三种常见的测试方法来确定SMT生产运作的清洁度:目视检查、表面绝缘电阻(SIR)和溶液提取法。在目视检查中,我们通过显微镜手动检查电路板。溶液提取法是把电路板浸泡在异丙基酒精和去离子(DI)水里,测定离子的传导性。SIR测试需要在工艺设计阶段和大规模生产阶段使用专门的测试电路板,然后,在SIR室内对这些测试电路板进行评估,在SIR室内,通了电的测试电路需要暴露在不同的环境条件下。
清洗是组装工艺中非常重要的一个环节。无铅焊料合金会对电路板表面清洗提出几个要求:使用等级较高和活性较强的助焊剂,需要较高的再流焊温度。这么高的温度可能会使助焊剂残渣糊掉,这样,xx起来就会更困难,如果使用的传统的化学材料清洗技术,更是如此。
(十六) 测试和检验
由于缩短上市时间、缩小元件尺寸以及转到无铅生产,需要使用更多的测试方法和检查办法。对缺陷程度(在生产过程中产生的缺陷)的要求,以及测试和检查的有效性,推动着测试行业向前发展。{zh0}的测试策略往往会受到电路板特性的限制。需要考虑的几个重要因素包括:电路板的复杂性、计划的生产规模、是单面电路板还是双面电路板、通电检查和目视检查,以及元件方面的具体的问题。
这个行业现有的测试办法是:
在再流焊之后进行电路内测试(ICT),这是,对元件单独加电测试,来检验印刷电路板是否有问题。传统的ICT系统使用针床测试设备来接触印刷电路板下面一侧的多个测试点。
飞针是一种ICT测试,它使用一根探针在通电情况进行测试,在测试设备和印刷电路板之间不需要针床接口。它用大量到处游走的针来检查印刷电路板。
边界扫描测试可以弥补通电检查的不足。边界扫描使用边缘连接器或者一个有限的针床设备,它可以对ICT和飞针接触不到的被测元件和电路节点进行测试。
检验印刷电路板是否合格的{zh1}一步是功能测试,然后才把印刷电路板送走。这些测试设备使用边缘连接器和/或者测试点来连接印刷电路板。测试仪器模拟最终的电气环境,检验电路板的功能是否符合要求。
检查不同于测试,检查是没有在通电的情况检验电路板的好与坏。我们可以在组装工艺中尽早进行检查,实现工艺监测与控制。有以下几种检查方法:
人工检查。这是检验员用目视的方法来检查印刷电路板,看看有没有缺陷。这个办法是最不可靠的,对于使用0201元件和微间距无铅元件的电路板来说,更是如此。而且,人工检查的成本也非常高。
X射线检查。这个方法主要用于再流焊后检查元件,这些元件无法接触到,或者不能用ICT测试,也无法用肉眼看清楚。我们可以手动操作这些系统,测试样品,或者用全自动的方式在生产线上测试样品(AXI)。
自动光学检查(AOI)。这个方法是利用照相机成像技术来检查印刷电路板。AOI可以迅速检查出各种各样的缺陷,而且可以在生产线上进行,每一道贴装工序完成之后进行。在贴装后进行AOI检查,能够提高贴装工艺的xx度,并且可以检查元件是否贴到印刷电路板上。它还可以用来检查元件的位置和放置的情况。在再流焊后进行AOI检查,还可以发现可能是再流焊引起的一些缺陷。
在整个组装工艺中,控制缺陷和找出缺陷将直接关系到质量控制和成本。制造商需要通过全面的测试和检查来确定哪些测试和检查{zfh}生产线的要求。
第十步: 返修与维修
返修与维修是必不可少的。之前所有步骤的目标只有一个,提高工艺的准确性和可靠性,但是,仍然免不了要把元件取下来,需要更换。返修工艺包括以下四个步骤:
1、找出失效的元件,造成失效的可能原因;
2、把失效的元件拿下来;
3、完成印刷电路板安放位置的准备工作;
4、装上元件,然后再流焊。
无铅生产需要较高的温度,这可能会给返修工艺带来新的难题。由于电路板处在较高的温度,可能会损坏元件和电路板。无铅焊接的再流焊工艺窗口更窄,对于容易受温度影响的元件来说,例如,BGA和CSP,需要xx地控制温度。当这些较大的封装在接近{zg}温度时,附近的较小元件会因为热容量较小和再流焊工艺的较高温度而过热。尺寸较大的多层印刷电路板,上面使用了阵列封装元件,是返修工艺{zd0}的难题。
当遇到损坏了的元件时,返修技师首先必须确定是否可以用手工进行返修,或者是否必须把元件取下来换一个。同时还需要对印刷电路板进行功能测试。
通常,在返修时只需要使用手工操作的铬铁。在手工焊接时,已经很热的铬铁头接触元件的引脚和焊盘,把热量传到引脚和焊盘上,把温度提高到高于无铅焊料的熔点(通常是217℃)。含有助焊剂的焊钖丝与加热了的部位接触,焊锡丝熔化,湿润表面,并且在凝固时形成电气和机械连接的焊点。烙铁不可以直接碰到元件,防止可能出现的热冲击和破裂。手工焊接台相对较便宜,但是需要熟练的操作人员。
其他的返修工作可能需要使用手工操作的热气笔,它使用强制对流的方法把少量热气流直接喷射到引脚和焊盘上,完成焊接。尽管这个方
时,通常都推荐使用热气笔。在返修阵列式封装器件时,例如,在返修BGA和CSP时,需要使用返修台。这些返修台一般包括一个可移动的X/Y支架(用来安装和支撑印刷电路板)、一个热气喷嘴和向上/向下进行光学对正的机构。在对正后,吸嘴拾起元件,并把元件放到电路板上。然后,喷嘴对这个元件进行再流焊接。一些返修台还使用红外线来加热或者使用激光。
转到使用无铅焊料将会增加返修工艺的难度。虽然基本的步骤是一样的,但是,负责返修的操作人员必须注意到无铅的工艺窗口较窄,同时还要注意,工艺温度上升可能给印刷电路板和元件带来的危险。